本实用新型涉及一种基于双通道双增益的交流信号采集装置。
背景技术：
在工作和生活中，电能是我们必不可少的一种能源供应，从保障我们的用电安全可靠的要求而研发出很多电力电子设备，如电力仪表、继电保护装置、电动机保护器等等。众所周知，电压和电流是电力行业最基础的两种电量信号，电压信号相对稳定，而电流是时刻随着用电量的多少而变化。当用电功率较小时实时电流很小，而用电功率较大时实时电流又会很大，当发生线路故障时，故障电流会更大，这就要求电力电子设备测量的范围要更宽且测量精度不能降低。在设计电力电子设备时考虑测量范围及测量精度（特别是小信号的测量精度），同时还要考虑设计成本，就造成性能和成本之间的矛盾。若采用更高性能的模数转换器等电子元件，势必会大大增加产品的设计成本。
下面以继电保护装置为例做具体描述，行业要求中高压继电保护装置必须做到20ie的测量范围（ie为二次额定电流5a，即0.005a-100a的测量范围），而测量精度不低于0.5级。若使用主mcu的集成的ad模块时（一般是12位ad），其小电流（范围为0.005a-0.5a）的测量精度满足不了0.5级的要求，就会造成继电保护装置在某些保护功能满足动作条件时不能准确可靠的动作，大大降低了电网供电的可靠性。
使用主mcu集成的ad做模拟采集，考虑整体测量范围（0.005a-100a），模拟电路部分使用固定的放大增益，但由于放大增益受到ad的参考电压的限制，只能满足大电流（0.5a-100a）的测量要求，而小电流对应的模拟值依然很小，再有噪声的干扰，导致小电流测量精度依然不能满足设计要求。
使用更高性能的ad和mcu等电子元件，能够兼顾小电流和大电流的测量精度，采用更高位数的ad（如adi公司的16位ad）和高运算速率的dsp芯片，来满足测量范围和测量精度的要求，但其设计成本大幅度增加，同时研发周期较长，经核算增加比例至少在10%以上，同时产品的开发周期会而高运算速率的dsp芯片的散热又是一个需要解决的技术问题，往往是加散热风扇，势必会加大产品外形尺寸。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于提供一种基于双通道双增益的交流信号采集装置，用于解决现有的能够兼顾测量范围和测量精度的交流信号采集装置的成本过高的问题。
为了解决上述问题，本实用新型采用以下技术方案：
一种基于双通道双增益的交流信号采集装置，包括：
交流信号输入电路，所述交流信号输入电路的输入端用于输入交流信号；
切换开关，所述切换开关包括输入端、第一输出端、第二输出端和控制端，所述控制端用于输入控制信号，使得所述切换开关的输入端能够与第一输出端或者所述第二输出端连通，所述交流信号输入电路的输出端连接所述切换开关的输入端；以及
放大电路，所述放大电路包括第一放大支路和第二放大支路，第一放大支路和第二放大支路的放大增益不同，所述第一放大支路的输入端连接所述第一输出端，所述第二放大支路的输入端连接所述第二输出端，所述第一放大支路的输出端为所述交流信号采集装置的第一交流信号输出端，所述第二放大支路的输出端为所述交流信号采集装置的第二交流信号输出端。
进一步地，所述第一输出端包括第一引脚和第二引脚，所述第一放大支路包括第一运算放大器，所述第一引脚通过第一电阻连接所述第一运算放大器的反相输入端，所述第二引脚通过第二电阻连接所述第一运算放大器的同相输入端，所述第一运算放大器的同相输入端连接第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端用于连接一基准电源；所述第一运算放大器的反相输入端通过第四电阻连接所述第一运算放大器的输出端，所述第一运算放大器的输出端连接所述第一放大支路的输出端；
所述第二输出端包括第三引脚和第四引脚，所述第二放大支路包括第二运算放大器，所述第三引脚通过第五电阻连接所述第二运算放大器的反相输入端，所述第四引脚通过第六电阻连接所述第二运算放大器的同相输入端，所述第二运算放大器的同相输入端连接第七电阻的一端，所述第七电阻的另一端用于连接所述基准电源；所述第二运算放大器的反相输入端通过第八电阻连接所述第二运算放大器的输出端，所述第二运算放大器的输出端连接所述第二放大支路的输出端。
进一步地，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第五电阻、第六电阻和第七电阻的阻值相同，所述第八电阻的阻值等于所述第四电阻的阻值乘以预设倍数，所述预设倍数大于1。
进一步地，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻和第七电阻的阻值均为10kω，所述预设倍数为10。
进一步地，所述第一运算放大器的输出端连接第一滤波电容的一端，所述第一滤波电容的另一端接地；所述第二运算放大器的输出端连接第二滤波电容的一端，所述第二滤波电容的另一端接地。
进一步地，所述第一运算放大器的输出端通过第九电阻连接所述第一放大支路的输出端，所述第二运算放大器的输出端通过第十电阻连接所述第二放大支路的输出端。
进一步地，所述交流信号输入电路包括互感器和分压支路，所述分压支路由第十一电阻和第十二电阻串联构成；所述互感器的输入端为所述交流信号输入电路的输入端，所述互感器的输出端连接所述分压支路，所述第十二电阻的两端为所述交流信号输入电路的输出端。
进一步地，所述切换开关为cd4052模拟开关，所述cd4052模拟开关的引脚x和引脚y为所述切换开关的输入端，所述cd4052模拟开关的引脚x0为所述切换开关的第一引脚，所述cd4052模拟开关的引脚y0为所述切换开关的第二引脚，所述cd4052模拟开关的引脚x1为所述切换开关的第三引脚，所述cd4052模拟开关的引脚y1为所述切换开关的第四引脚，所述cd4052模拟开关的地址引脚b和禁止引脚inh接地，所述cd4052模拟开关的地址引脚a为所述切换开关的控制端。
本实用新型的有益效果为：第一放大支路和第二放大支路的放大增益不同，通过切换开关实现不同放大增益的切换，能够根据输入的交流信号的大小选择合适的放大增益，输出的交流信号能够满足要求，即便交流信号为小数值的信号时，也能够满足测量精度的要求，解决了小数值的交流信号的测量精度差的技术难题，能够兼顾测量范围和测量精度的交流信号，更重要的是，本实用新型提供的交流信号采集装置虽然能够兼顾测量范围和测量精度，但是装置结构比较简单，投入成本无需增加的太多，无需采用更高位数的ad和高运算速率的dsp芯片来满足测量范围和测量精度的要求。
附图说明
图1是基于双通道双增益的交流信号采集装置的电路图。
具体实施方式
本实施例提供一种基于双通道双增益的交流信号采集装置，包括交流信号输入电路、切换开关和放大电路。
交流信号输入电路的输入端用于输入交流信号，输入的交流信号为需要采集的、待处理的交流信号。
交流信号输入电路用于实现需要采集的、待处理的交流信号的输入，交流信号输入电路可以只是一个交流信号的输入电路，也可以是一个交流信号的初步处理电路。本实施例中，如图1所示，交流信号输入电路包括互感器t1和分压支路，分压支路由第十一电阻（电阻r1）和第十二电阻（电阻r2）串联构成，互感器t1的输入端为交流信号输入电路的输入端，本实施例中，输入的交流信号为0~120vac、0~100a交流信号，应当理解，输入的交流信号不做限定，可以是电压信号，也可以是电流信号，互感器t1的输入输出变比也不做限定。互感器t1的输出端输出的交流信号为0~7.07vac的交流信号。互感器t1的输出端连接分压支路，电阻r2的两端为交流信号输入电路的输出端。通过选择阻值合适的电阻r1和电阻r2，对互感器t1输出的交流信号进行分压，然后在电阻r2上取到有效值为0~1v范围的交流模拟信号vin（注意：此处模拟信号的范围取决于该交流信号采集装置后续连接的ad模块的模拟参考电压vref，vin≤0.707*vref）。本实施例中，电阻r1的阻值为100kω，电阻r2的阻值为12kω。
切换开关包括输入端、第一输出端、第二输出端和控制端，控制端用于输入控制信号，使得切换开关的输入端能够与第一输出端或者第二输出端连通，交流信号输入电路的输出端连接切换开关的输入端。
切换开关的实现方式有很多，可以是简单的切换开关，通过控制信号进行切换控制。本实施例中，为了提升开关切换可靠性，切换开关为cd4052模拟开关（双4选1的多路模拟选择开关），如图1所示，cd4052模拟开关的引脚x和引脚y为切换开关的输入端，电阻r2的一端连接引脚x，电阻r2的另一端连接引脚y。cd4052模拟开关的引脚x0为切换开关的第一引脚，cd4052模拟开关的引脚y0为切换开关的第二引脚，cd4052模拟开关的引脚x1为切换开关的第三引脚，cd4052模拟开关的引脚y1为切换开关的第四引脚，cd4052模拟开关的地址引脚b和禁止引脚inh接地。cd4052模拟开关的地址引脚a为切换开关的控制端，本实施例中，mcu的输出端ctrl_a连接地址引脚a，向地址引脚a输出控制信号，而且，mcu的输出端ctrl_a通过电阻r3连接+5v，通过电容c3接地，其中，电阻r3的阻值为10kω。在控制信号的控制下，选择引脚x与引脚x0连通，引脚y与引脚y0连通，或者引脚x与引脚x1连通，引脚y与引脚y1连通。对于cd4052模拟开关的其他引脚，具体地：引脚vdd连接+5v，并通过电容c1接地；引脚vee连接-5v，并通过电容c2接地；引脚vss接地；引脚x2、x3、y2和y3闲置不用。
本实施例中，+5v连接电容c4的一端，电容c4的另一端接地，对供电电源+5v进线滤波，保证电源稳定。
放大电路包括第一放大支路和第二放大支路，第一放大支路和第二放大支路的放大增益不同，第一放大支路的输入端连接切换开关的第一输出端（即引脚x0和引脚y0），第二放大支路的输入端连接切换开关的第二输出端（即引脚x1和引脚y1），第一放大支路的输出端为该交流信号采集装置的第一交流信号输出端（即输出端adc_in1），第二放大支路的输出端为交流信号采集装置的第二交流信号输出端（即输出端adc_in2）。
第一放大支路和第二放大支路具体电路不唯一，而且，在满足两者的放大增益不同的情况下，第一放大支路和第二放大支路的具体增益不做限定。作为一个具体实施方式，以下分别给出第一放大支路和第二放大支路的一种具体电路结构。
第一放大支路包括第一运算放大器（即运算放大器u2a），运算放大器u2a与下述中的第二运算放大器（即运算放大器u2c）的具体型号均为tlc2274aid，均由+5v供电。引脚x0通过第一电阻（即电阻r4）连接运算放大器u2a的反相输入端，引脚y0通过第二电阻（即电阻r6）连接运算放大器u2a的同相输入端，运算放大器u2a的同相输入端连接第三电阻（即电阻r7）的一端，电阻r7的另一端用于连接一基准电源（即ref1.5v）。运算放大器u2a的反相输入端通过第四电阻（即电阻r5）连接运算放大器u2a的输出端，运算放大器u2a的输出端连接输出端adc_in1。
第二放大支路包括运算放大器u2c，引脚x1通过第五电阻（即电阻r8）连接运算放大器u2c的反相输入端，引脚y1通过第六电阻（即电阻r10）连接运算放大器u2c的同相输入端，运算放大器u2c的同相输入端连接第七电阻（即电阻r11）的一端，电阻r11的另一端用于连接基准电源（即ref1.5v）。运算放大器u2c的反相输入端通过第八电阻（即电阻r9）连接运算放大器u2c的输出端，运算放大器u2c的输出端连接输出端adc_in2。
作为一个具体实施方式，电阻r4、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r10和电阻r11的阻值相同，电阻r5和电阻r9的阻值不同，且电阻r9的阻值等于电阻r5乘以预设倍数。进一步地，电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r10和电阻r11的阻值均为10kω，电阻r9的阻值为100kω，即预设倍数为10。
作为一个具体实施方式，运算放大器u2a的输出端连接第一滤波电容（即电容c5）的一端，电容c5的另一端接地。运算放大器u2c的输出端连接第二滤波电容（即电容c36）的一端，电容c36的另一端接地。而且，运算放大器u2a的输出端通过第九电阻（即电阻r12）连接输出端adc_in1，运算放大器u2c的输出端通过第十电阻（即电阻r13）连接输出端adc_in2。电阻r12和电阻r13的阻值为33r。
那么，第一放大支路提供第一放大通道，第二放大支路提供第二放大通道。第一放大通道的放大增益为1，能够对交流信号放大1倍，第二放大通道的放大增益为10，能够对交流信号放大10倍。第一放大通道应用于大电流取样，第二放大通道应用于小电流取样。
第一放大通道和第二放大通道的切换原则为：正常情况下，默认选通第一放大通道，整个电路工作在大电流区间的采样模式（放大增益为1），当需要进行小电流区间采样时，比如：mcu检测到小电流时（获取人为切换），控制cd4052模拟开关从第一放大通道切换到第二放大通道，将电路工作于小电流区间的采样模式（放大增益为10）。另外，若检测到交流信号为大电流时，再切换到第一放大通道，将电路工作于大电流区间的采样模式。后续的ad模块就能够采集到放大后的信号，并进行处理和计算，得到所需的电参量值。
因此，本实用新型保护的是基于双通道双增益的交流信号采集装置首先解决了小数值区间的测量精度差的技术难题，同时产品成本增加微乎其微，而且，在满足测量精度的同时，有效的控制了产品成本，同时产品核心设计方案未变，产品迭代能力强，可缩短产品开发周期，开发效率高。
应当理解，本实用新型保护的是基于双通道双增益的交流信号采集装置的硬件电路结构，对于该电路结构中的各个元器件的电气参数，则由实际需要进行具体设置，上述实施例仅仅是举例说明了各元器件的一种具体的电气参数。任何对本实用新型进行的等同替换及不脱离本实用新型精神和范围的修改或局部替换，其均应涵盖在本实用新型权利要求保护的范围之内。
1.一种基于双通道双增益的交流信号采集装置，其特征在于，包括：
交流信号输入电路，所述交流信号输入电路的输入端用于输入交流信号；
切换开关，所述切换开关包括输入端、第一输出端、第二输出端和控制端，所述控制端用于输入控制信号，使得所述切换开关的输入端能够与第一输出端或者所述第二输出端连通，所述交流信号输入电路的输出端连接所述切换开关的输入端；以及
放大电路，所述放大电路包括第一放大支路和第二放大支路，第一放大支路和第二放大支路的放大增益不同，所述第一放大支路的输入端连接所述第一输出端，所述第二放大支路的输入端连接所述第二输出端，所述第一放大支路的输出端为所述交流信号采集装置的第一交流信号输出端，所述第二放大支路的输出端为所述交流信号采集装置的第二交流信号输出端。
2.根据权利要求1所述的基于双通道双增益的交流信号采集装置，其特征在于，所述第一输出端包括第一引脚和第二引脚，所述第一放大支路包括第一运算放大器，所述第一引脚通过第一电阻连接所述第一运算放大器的反相输入端，所述第二引脚通过第二电阻连接所述第一运算放大器的同相输入端，所述第一运算放大器的同相输入端连接第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端用于连接一基准电源；所述第一运算放大器的反相输入端通过第四电阻连接所述第一运算放大器的输出端，所述第一运算放大器的输出端连接所述第一放大支路的输出端；
所述第二输出端包括第三引脚和第四引脚，所述第二放大支路包括第二运算放大器，所述第三引脚通过第五电阻连接所述第二运算放大器的反相输入端，所述第四引脚通过第六电阻连接所述第二运算放大器的同相输入端，所述第二运算放大器的同相输入端连接第七电阻的一端，所述第七电阻的另一端用于连接所述基准电源；所述第二运算放大器的反相输入端通过第八电阻连接所述第二运算放大器的输出端，所述第二运算放大器的输出端连接所述第二放大支路的输出端。
3.根据权利要求2所述的基于双通道双增益的交流信号采集装置，其特征在于，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第五电阻、第六电阻和第七电阻的阻值相同，所述第八电阻的阻值等于所述第四电阻的阻值乘以预设倍数，所述预设倍数大于1。
4.根据权利要求3所述的基于双通道双增益的交流信号采集装置，其特征在于，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻和第七电阻的阻值均为10kω，所述预设倍数为10。
5.根据权利要求2所述的基于双通道双增益的交流信号采集装置，其特征在于，所述第一运算放大器的输出端连接第一滤波电容的一端，所述第一滤波电容的另一端接地；所述第二运算放大器的输出端连接第二滤波电容的一端，所述第二滤波电容的另一端接地。
6.根据权利要求2所述的基于双通道双增益的交流信号采集装置，其特征在于，所述第一运算放大器的输出端通过第九电阻连接所述第一放大支路的输出端，所述第二运算放大器的输出端通过第十电阻连接所述第二放大支路的输出端。
7.根据权利要求1所述的基于双通道双增益的交流信号采集装置，其特征在于，所述交流信号输入电路包括互感器和分压支路，所述分压支路由第十一电阻和第十二电阻串联构成；所述互感器的输入端为所述交流信号输入电路的输入端，所述互感器的输出端连接所述分压支路，所述第十二电阻的两端为所述交流信号输入电路的输出端。
8.根据权利要求2所述的基于双通道双增益的交流信号采集装置，其特征在于，所述切换开关为cd4052模拟开关，所述cd4052模拟开关的引脚x和引脚y为所述切换开关的输入端，所述cd4052模拟开关的引脚x0为所述切换开关的第一引脚，所述cd4052模拟开关的引脚y0为所述切换开关的第二引脚，所述cd4052模拟开关的引脚x1为所述切换开关的第三引脚，所述cd4052模拟开关的引脚y1为所述切换开关的第四引脚，所述cd4052模拟开关的地址引脚b和禁止引脚inh接地，所述cd4052模拟开关的地址引脚a为所述切换开关的控制端。
技术总结